使用LSTM网络重建澳大利亚陆地储水量并量化干旱演变

《Journal of Hydrology》：Reconstructing terrestrial water storage and quantifying drought evolution in Australia using LSTM networks

　　

•LSTM框架融合GNSS与GRACE，实现澳大利亚陆面水储量的连续监测
•增强后的等效水高使西澳大利亚地区与GRACE的相关性从0.290提升至0.656
•推导的LSTM-DSI在2011–2023年期间与NscPDSI高度吻合，相关系数达0.663
•该融合方法为广泛的水文气候评估提供了重要见解

引言

干旱是全球最具破坏性的自然灾害之一，影响人数超过其他任何灾害。在全球变暖和人为活动加剧的背景下，这些事件的频率、强度和持续时间在21世纪显著增加，对生态系统、农业和社会经济系统造成广泛影响。关键证据表明，气温升高加剧了水文循环；具体而言，大气持水能力的增强导致显著更高的蒸散发需求，从而加剧了干旱严重程度的上升趋势。因此，科学评估干旱特征（模式、频率、持续时间、程度和严重程度）对于制定强有力的应对计划至关重要。这类评估需要稳健的数值表征，主要通过开发多种干旱指数实现。近期的研究成果提供了基于关键水文变量的工具，包括径流（如标准化径流指数SRI）、降水（如标准化降水指数SPI）和土壤水分（如标准化土壤水分指数SSMI），为减灾和预防工作提供了关键指导。

水文大地测量学利用大地测量观测来量化大陆淡水分布和储量变化。陆面水储量是全球水循环的关键组成部分，包括土壤水分、地表水和地下水的综合变化，是区域水文状况的主要指标。传统干旱监测依赖地面气象站的降水和蒸散发数据以及卫星遥感的地表特征。由于这些站点空间分布不均且稀疏，无法全面捕捉区域或全球干旱过程；此外，遥感虽然对地表水有效，但对地下水储量动态的敏感性不足。重力恢复与气候实验及其后续任务提供了时间变化重力场的长期监测，产生的陆面水储量产品在水文和气候科学中得到了广泛应用，包括地下水评估、干旱监测和大规模水循环分析。然而，低空间分辨率通常将可靠分析限制在300 km以上的空间尺度。此外，间歇性数据缺口（1–2个月）和任务间的显著长期中断（11个月）严重阻碍了连续干旱追踪。因此，全球导航卫星系统观测网络密度的稳步扩展和先进的处理策略已成为重要的补充。衍生的GNSS信息弥合了数据缺口并提高了时间分辨率，使在任务中断期间能够连续提供数据支持。尽管如此，由于地理和经济约束造成的全球GNSS站点分布不对称，稀疏地区的反演精度限制仍然存在。

GNSS的持续发展使研究人员越来越多地利用衍生的地球物理变量进行干旱监测。GNSS通过从毫米级垂直地表位移中分离水文信号来检索陆面水储量变化，这一技术在美利坚合众国西部、澳大利亚和中国长江流域等地区得到了广泛应用。在Argus等人建立的开创性理论框架之后——他们使用格林函数反演了美国西南部的高分辨率陆面水储量变化，后续研究通过联合GNSS-GRACE策略逐步提高了检索精度。这些方法纳入了GRACE质量浓度约束，集成了垂直和水平位移，并优化了全球各区域的空间-时间分辨率。研究人员还将地下水储量估计值与测压观测进行了验证。Fatolazadeh等人将降尺度GRACE衍生的地下水储量与阿尔伯塔的75口井进行了比较（R=0.80；RMSE=11毫米），而Eshagh等人对约16口井中的80%获得了低于5毫米的标准差和均方根误差值。实际上，GNSS衍生的等效水高通过开发如干旱严重程度指数等指数，促进了区域水文干旱的定量监测。例如，Jiang等人使用GNSS推断的陆面水储量变化跟踪了巴西的水文干旱事件。Zhu等人进一步推动了这一方法，开发了多元干旱严重程度指数，将垂直位移衍生的等效水高与通过天顶总延迟计算的 precipitable water vapor相结合，实现气象和水文的综合评估。这些研究强调了联合反演策略相比单一方法具有优越的性能。鉴于GNSS和GRACE之间固有的时空互补性，这些数据集在水文研究中的联合应用正在获得越来越多的学术关注。

虽然多源策略缓解了单一观测的缺陷，但现有的物理融合方法面临严重限制。具体而言，GRACE固有的低时空分辨率使其无法用于精细尺度监测。此外，确定异质数据融合中的最优权重仍是一个持续挑战；尽管像Akaike贝叶斯信息准则和方差分量估计等方法被广泛采用，但它们往往无法保证在复杂环境中检索结果的稳定性。为了克服这些物理建模约束，机器学习为非线性地球物理反演提供了一个有前途的替代范式。例如，Shen等人使用随机森林模型建立了机器学习加载反演方法，从而验证了数据驱动策略在模拟地壳变形方面的有效性。然而，水文干旱监测严重依赖于捕捉长期时间演化模式，这超出了单纯的空间特征提取。此外，GNSS时间序列通常包含非线性环境噪声（如热膨胀、基岩热变形和多路径效应），传统物理模型无法完全解决。因此，长短期记忆网络特别适用，利用其独特的门控机制有效地映射长时间序列数据中的非线性并捕捉水文信号的时间滞后。

本研究提出了一种基于长短期记忆的深度融合框架，整合GNSS、GRACE和多源气象数据，以克服传统物理反演的精度限制并推导高度可靠的陆面水储量估计，以等效水高表示。研究聚焦于2010年1月至2023年12月的澳大利亚大陆，研究分为三个主要分析阶段。首先，我们建立了GNSS衍生的等效水高基线，并评估了联合反演在五大水文区域（西澳大利亚、北领地、昆士兰、南澳大利亚和东南部）中的性能。长短期记忆模型被用于有效预测和纠正GNSS衍生的等效水高与GRACE观测之间的系统偏差，显示了相关性系数的可衡量提升和均方根误差的总体降低，其可靠性进一步使用独立的全局陆地数据同化系统水文数据进行交叉验证。其次，我们研究了增强陆面水储量的时空循环过程及其潜在气候驱动因素。最后，利用高精度融合等效水高，我们构建了一个干旱严重程度指数。通过将这个指数与NscPDSI气象干旱指数耦合，我们系统地分析了代表性极端干旱事件的时间演化、区域响应以及从气象干旱到水文干旱的物理传播。最终，本研究旨在拓宽大地测量技术在水文大地测量学中的应用，并探索更广泛地利用大地测量观测进行广泛气候研究的潜力。

研究区域和数据集

本节简要总结了研究区域的地理特征并介绍了本研究使用的数据集。

基于GNSS检索的陆面水储量

为了将GNSS观测到的垂直地壳弹性变形反演为代表等效水高的等效表面载荷，我们采用了基于球对称、非旋转、弹性、各向同性地球模型的格林函数方法。该格林函数量化了地壳弹性响应对单位表面质量载荷与观测点之间的空间关系，从而有效地将水文载荷变异性与GNSS垂直位移联系起来。

GNSS等效水高反演评估

GNSS垂直位移时间序列的反演使得对澳大利亚陆面水储量变化的稳健估计成为可能。随后通过谐波拟合导出了以等效水高表示的陆面水储量年振幅。图4展示了GNSS-等效水高、GRACE-等效水高、GLDAS-等效水高和降水的年振幅空间分布。总体而言，GNSS反演结果在大陆尺度上与GRACE和GLDAS表现出高度的空间一致性。

结论和未来的工作

本研究开发了一种基于长短期记忆的深度融合框架，重构了2010年至2023年澳大利亚大陆连续且高精度的陆面水储量序列。通过整合GNSS衍生的等效水高、GRACE质量浓度观测和多源气象变量，该框架有效地弥合了GRACE任务缺口并抑制了GNSS检索固有的高频噪声。模型评估突出了在站点稀疏的西澳大利亚地区的显著性能提升，其中与GRACE的相关性……

作者贡献声明

Bo Feng：撰写——审查与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。Yan Xu：撰写——审查与编辑。Nan Jiang：撰写——审查与编辑。Biaobiao Guo：撰写——审查与编辑。Peng Yin：撰写——审查与编辑，验证。Ao Guo：撰写——审查与编辑。Tianhe Xu：撰写——审查与编辑。Harald

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42192534）、国家重点研发计划（2024YFB3909703）、山东省自然科学基金（ZR2024MD077，ZR2025MS530）、山东大学威海分校青年学者计划（20820211007）、中国国家留学基金委员会（202306220276和202406220118）以及山东大学青年学生基础研究基金（SDUQM2505）的财政支持。